【摘要】：巖石在諸多工程領(lǐng)域中除受到恒定的靜荷載作用外,還常常會(huì)受到如爆炸、沖擊、震動(dòng)等動(dòng)荷載作用,如隧道圍巖除承受圍巖應(yīng)力等靜荷載作用外,還會(huì)受到車輛荷載等動(dòng)荷載作用。周期循環(huán)荷載是最簡單也是最為典型的動(dòng)荷載類型,可以作為復(fù)雜動(dòng)荷載作用下巖石力學(xué)特性研究的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。本文選取湖北某地區(qū)某典型隧道的石膏圍巖作為研究對象,利用MTS815巖石電液伺服系統(tǒng)開展其循環(huán)荷載條件下的疲勞試驗(yàn),同步利用SAEU2S型多通道聲發(fā)射檢測系統(tǒng)測試巖樣疲勞過程中的聲發(fā)射規(guī)律,利用環(huán)境掃描電鏡對循環(huán)前后試樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)特征變化觀察,并結(jié)合斷裂力學(xué)、熱力學(xué)、連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)等數(shù)學(xué)、力學(xué)理論及巖石蠕變的一些研究成果等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,并取得了以下研究成果:1.循環(huán)荷載下石膏巖典型的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線呈“疏-密-疏”的演化規(guī)律,疲勞過程分為循環(huán)初始、循環(huán)穩(wěn)定、循環(huán)加速三個(gè)階段。聲發(fā)射信息與宏觀應(yīng)力應(yīng)變演化相對應(yīng),二者均可以反映石膏巖內(nèi)部微裂紋的發(fā)展演化。2.循環(huán)荷載條件對石膏巖疲勞損傷特性影響顯著,循環(huán)應(yīng)力水平高、上限應(yīng)力比大、循環(huán)頻率低,則每次加卸載的滯回環(huán)面積大,損傷速率較快,產(chǎn)生的塑性應(yīng)變量大,試樣的疲勞壽命相對較短,試樣破壞形態(tài)宏觀層次上以少量“大裂紋”為主,微觀層次上以貫穿晶格且大張開度的微觀裂紋為主。循環(huán)頻率越高,試樣的變形模量越大,試樣抗疲勞破壞能力越強(qiáng)。3.運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的觀念,認(rèn)為巖石微元強(qiáng)度服從Weibull分布,且認(rèn)為巖石損傷實(shí)際上是破壞微元占微元總數(shù)的比例,并借鑒有效應(yīng)力原理的概念,認(rèn)為上部應(yīng)力由損傷區(qū)域與未損傷區(qū)域共同承擔(dān),并建立靜荷載作用下巖石的損傷本構(gòu)模型。4.考慮到循環(huán)荷載與蠕變損傷過程的相似性,基于蠕變相關(guān)研究結(jié)果的啟發(fā),引入“等效應(yīng)力”的概念,建立石膏巖循環(huán)荷載下的損傷本構(gòu)關(guān)系,并得到損傷變量的計(jì)算方法,得出了剩余疲勞壽命的計(jì)算方法。5.利用聲發(fā)射的相關(guān)信息參數(shù)建立損傷變量的演化方程,其與以宏觀應(yīng)力應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)建立的損傷演化模型具有一致的預(yù)測結(jié)果,并以此為基礎(chǔ)探究加載過程中聲發(fā)射事件發(fā)生的時(shí)序特征。
【圖文】：

犴啵嘈鄥雜鋅贍苡幸徊糠鐘彩犴嘌冶槐４媼訟呂礎(chǔ)Ｍ?2.1 石膏硬石膏水化去水化循環(huán)圖2.1.2 研究區(qū)石膏質(zhì)巖層位分布特征據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料可知，研究區(qū)石膏質(zhì)巖主要由海相蒸發(fā)沉積形成，主要賦存于三疊系嘉陵江組嘉二段、嘉四段、嘉五段，這幾段地層中的石膏質(zhì)巖都是比較穩(wěn)定。嘉四段石膏質(zhì)巖主要分布于該層的上部，厚約 48~96m，為該段地層總厚的 54%~86.5%，層位穩(wěn)定。石膏質(zhì)巖厚度變化不大,但分布于嘉五段的石膏質(zhì)巖單層厚度在 7.5m~19m 之間，最大厚度可達(dá)到 43m，層位分布穩(wěn)定，厚度變化較小。嘉二段石膏質(zhì)巖與白云巖共生，組成 3 個(gè)沉積韻律，總厚度大約為 11.5~51.0m 之間，占該段地層總厚的 6.6%~30.2%

圖 3.1 石膏巖現(xiàn)場取樣加載試驗(yàn)試樣制備：為降低因天然巖石試件力學(xué)性質(zhì)差異導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果離散性，在大塊完整無節(jié)理石膏巖巖體上密集鉆取巖樣獲得巖芯樣。將采集的巖樣采用濕式加工法加工成Ф50mm×100mm 的圓柱體，其加工精度應(yīng)滿足國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)建議實(shí)驗(yàn)室規(guī)范要求，，兩個(gè)端面的平整度誤差小于 0.02mm。加工完成后自然風(fēng)干，將表面有明顯破損及裂紋的試樣剔除，對石膏巖標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行直徑、高度、端面平整度測量，剔除誤差較大的試樣。經(jīng)過初步篩選后，為降低試件不均勻性導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的離散性，將自然位置臨近的試件分為同一組，然后稱重，并用油彩筆對分組試件進(jìn)行編號。
【學(xué)位授予單位】：長安大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TU45

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本文編號：2548418